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1、 目录一. 设计题目1二. 设计要求1三. 设计的作用与目的1四. 系统硬件设计24.1 接口电路设计44.1.1时钟电路及复位电路44.1.2 JTAG 调试接口电路44.1.3 LCD 串行接口设计54.1.4 RS232 接口设计64.2驱动电路的设计74.3 采样电路设计84.3.1输入电压采样电路84.3.2蓄电池端电压采样电路94.3.3蓄电池充电电流采样电路94.3.4蓄电池温度采样电路104.4保护电路设计114.5电源电路设计12五. 系统软件设计135.1 系统软件的总体结构135.2 应用C/OS -II 的必要准备135.2.1 定义任务优先级135.2.2 定义任务栈
2、空间145.2.3 定义消息邮箱145.2.4 C/OS -II 的基本函数14六. 系统仿真与调试156.1 主控模块及其流程图156.2 主任务模块及其流程图176.2.1 A/D 采样模块软件仿真设计176.2.2 充电模式仿真设计176.4.4 LCD 显示任务模块及其流程图18七. 结论20八. 嵌入式系统实习心得21九. 参考文献221嵌入式系统在蓄电池充电中的应用研究一 设计题目嵌入式系统在蓄电池充电中的应用研究二 设计要求本文的主要目的是研究并设计一套蓄电池充电控制器，控制器的总体功能和技术要求如下：(1) 充电系统的输入直流电压范围为 200650V；(2) 充电系统的直流输
3、出电压范围为 060V，待充蓄电池组额定电压为48V；(3) 充电系统的输出直流电流范围为 020A；(4) 充电系统的最大输出功率为 1200W；(5) 充电系统应根据蓄电池的荷电状态采用合适的充电方法对蓄电池进行充电；(6) 充电系统应具有完善的充电保护功能；(7) 充电系统应具有实时显示和监控的功能。三 设计的作用与目的如何高效、快速、安全地对蓄电池进行充电控制，一直是人们关心的问题。虽然蓄电池问世至今已有 100 多年的历史，但是由于技术条件的限制，目前很多的充电器仍然采用传统的充电方式。铅酸蓄电池作为一种可重复使用的储能设备得到了广泛的应用，但是充电一直是影响其使用寿命的关键问题。随
4、着铅酸蓄电池在新能源开发中的广泛应用，对蓄电池的充电方法和充电装置都提出了新的要求：研究并设计一种快速、高效、安全的蓄电池充电系统成为一项很重要的任务。对蓄电池充电的改进可以从两个方面考虑，一是蓄电池的充电方法，二是蓄电池的充电装置。随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术以及自动控制技术的发展，蓄电池的充电控制方法和充电装置的研究也越来越广泛，这两个方面的研究设计对光伏发电、电动汽车等新兴绿色环保产业的发展具有非常重要的意义。本文致力于研究并设计一种快速、安全、智能的蓄电池充电控制器。蓄电池的充电过程主要分为激活充电、大电流快速充电、过充电和浮充电四个阶段。这四个充电阶段是完全按照蓄电池的状
5、态进行设置的，多模式充电控制策略考虑到蓄电池在实际使用过程中的荷电状态，根据蓄电池的荷电状态进行相应的充电控制，通过对蓄电池端电压的检测，确定采用何种充电模式，有效地维护了蓄电池的充电寿命。这种多模式的充电方法综合了恒流充电快速而安全、及时补偿蓄电池电量和恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持蓄电池 100%电量的优点。这种充电控制策略能够实时检测充电情况并按预定的充电方案对蓄电池充电；通过对蓄电池荷电状态的分析与判断，选择合适的充电模式，激活充电能够有效地激活过放电蓄电池内部的活性物质，避免初始大电流快速充电对蓄电池造成损坏；大电流快速充电能够最大效率地补足蓄电池的电量；过充电能够能够使得
6、蓄电池的电量接近 100%充满，最后的浮充电又能够补充蓄电池自身放电而损失的电量，进一步补充蓄电池的电量并延长蓄电池的使用寿命。本文根据充电系统的功能要求和技术指标，进行了总体方案设计。蓄电池充电控制器的控制方式采用基于时下最常用的嵌入式 ARM7 微处理器LPC2292的数字控制。充电系统采用多模式充电控制策略，分别为激活充电、大电流快速充电、过充电和浮充电四种模式。根据充电系统的总体方案，对充电控制器的硬件和软件进行了详细的设计与实现。硬件部分主要充电控制器的驱动电路，采样电路，保护电路以及辅助电源的设计。软件部分主要包括介绍了C/OS -II 实时操作系统在ARM7上的移植和各个软件模块
7、包括A/D 采样、控制器数据的处理以及数据在LCD 显示等程序的实现。四 系统硬件设计本文的充电控制器以嵌入式作为平台，以ARM7 LPC2292 为核心，由于该款芯片的片内外设功能丰富，能完成模拟量的采样转换、数据处理和控制调节、以及片内的定时器可产生占空比调节的 PWM 控制信号，完全能够实现蓄电池的充电控制，同时该单片机的 I/O 端口和异步串行通信接口能方便实现外接 LCD 显示和上位机的串行通信。充电控制器的硬件结构如图 4.1 所示。这种数字化的充电控制器满足了充电系统输出可编程控制、具有数据通讯和显示、智能化控制等要求。下面将分别介绍充电控制器中复位电路、JTAG 接口、LCD
8、串行接口和 RS232 接口的硬件设计。 图4.1 充电控制器硬件结构图本系统对 CPU 的特殊要求有以下几点：(1). 能提供至少 1 路独立的脉宽调制(PWM)输出(若不能提供，则系统的工作频率至少要求 100M 以上)；(2). 有4个 8 位或者 10 位精度的 AD 转换器(现在也有不少单片机带有 AD功能，但单买 AD 转换器会造成成本的提高)；(3). 带有 CAN 总线控制器；(4). 具有 JTAG 接口；(5). 除以上之外，至少还需要 35 个普通 I/0 口。考虑以上条件，采用ARM公司 LPC2200 系列中的 2292 微控制芯片作为中央处理器。下表4.1给出 LP
9、C2292 的管脚配置。 表4.1 LPC2292 的管脚配置4.1 接口电路设计4.1.1时钟电路及复位电路LPC2000系列ARM7微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快(CPU最大操作时钟为60MHZ)。本设计为提高系统反应速度，启用片内的PLL功能(使用此功能，则外部晶振的频率限定在1025MHz)。振荡器工作在振荡模式下，由于片内集成了反馈电阻，只需在外部连接一个晶体和电容Cx1、Cx2 就可形成基本模式的振荡。晶振选用11.0592MHz，使串口波特率更精确。如图4.2所示。图4.2 振荡模式下晶振连接复位电路采用上电复位电路，如图4.
10、3所示。图4.3 上电复位电路4.1.2 JTAG 调试接口电路JTAG 标准是一种国际标准测试协议 IEEE 1149.1，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。通过 JTAG 接口，可以对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试的一种简洁高效的手段。LPC2292 处理器内置了串行 JTAG 接口，可通过此接口对片内 256K 的 FLASH存储器进行编程以及程序的烧写和调试，给用户的开发带来极大的方便。接口电路如图 4.4 所示。图4.4 JTAG 调试接口4.1.3 LCD 串行接口设计本文采用的LCD型号为CA12864K，该LCD内部的中文字型点阵控制器为ST7920，可显
11、示四行八列汉字，也可显示图形，内置 8192 个简体中文汉字(16 16点阵)。LCD使用 3.3V 进行供电，LPC2292与LCD的接口有并行和串行两种模式，可方便地实现 8 位、4 位并行接口或者串行接口数据传输，采用哪种模式由LCD 中的 PSB 引脚控制， PSB 接高电平时选择并行模式，接低电平时选择串行模式。LPC2292 采用串行接口的方式与LCD进行连接，图 4.5 所示为LCD串行接口。 图4.5 LCD 串行接口LCD 的各引脚定义及功能如表 4.2 所示。LCD 与 LPC2292 的串行接口只需连接三个引脚：RS、SID 和 SCLK。LPC2292 通过P0.10-
12、P0.17口与 LCD 串行通信，P0.6 接液晶的 SCLK 端，P0.4 接液晶的 RS 端，P0.5 接液晶的 SID 端。将 LCD 的并口/串口选择引脚接地即为选择串行接口，RS 为串行传输时的片选信号；SID 为串行数据线，负责单片机往 LCD 的数据传输；SCLK为传输时的时钟信号，该时钟信号由 LPC2292提供。充电控制器在运行中，时刻检测蓄电池的充电参数，对输入电压、输出电压、输出电流和温度等信息进行数据处理和反馈控制调节的同时，通过串行接口将充电信息送入 LCD 中进行显示，实现了充电系统在运行中的实时显示和监控功能。 表4.2 LCD 各引脚定义及功4.1.4 RS23
13、2 接口设计RS232 接口是充电系统与上位机通信的重要工具，基于单片机控制的蓄电池充电系统能够方便地实现与上位机的通信，将充电过程中蓄电池的参数和控制数据传送至上位机。LPC2292的通用串行通信接口(USCI)模块具有两组可同时使用的独立通道。异步通道(USCI_A) 支持 UART 模式、SPI 模式、IrDA 的脉冲成形以及 LIN 通信的自动波特率检测。同步通道 (USCI_B)支持 和 SPI 模式。本充电控制器采用 UART 模式通过 RS232 接口与上位机进行通信。RS232 接口硬件电路如图 4.6 所示。 图4.6 RS232 接口原理图4.2驱动电路的设计在充电系统中，驱动电路设计非常重要，驱动电路将直接影响到整个充电系统的工作性能和可靠性。在本充电系统中，对于IGBT驱动电路的设计有如下要求：(1) 动态驱动能力强，能为 IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则 IGBT 会在开通与关断过程中产生较大的开关损耗。(2) 能向 IGBT 提供适当的正向和反向栅极电压。IGBT 导通时，IGBT 的栅极正向栅极电压取+15V左右比较恰当；为了提高 IGBT 的关断耐压和抑制干扰的能
